Alex Márquez comenzó su trayectoria en el escenario mundialista en 2012 como 'wildcard' en un año en el que también ganó el título del FIM CEV Repsol de la categoría ligera. En 2013, año en el que su hermano Marc rompería moldes como rookie en MotoGP™, disputó su primera temporada completa con una KTM del equipo Estrella Galicia 0,0, consiguiendo una espectacular victoria en Japón, además de otros 4 podios, lo que le llevaría a ser 4º en la general y obtener el premio al Rookie del Año. En 2014, con el mismo equipo, pero al manillar de la nueva Honda que HRC había preparado para la categoría ligera, se proclamó Campeón del Mundo de Moto3™.
En 2015 y 2016 formaría parte de la parrilla de Moto2™ con el equipo EG 0,0 Marc VDS y su primer y único podio llegaría en el GP de Aragón de 2016 en un año que arrancó con una lesión en el brazo. En 2017 comenzaría a alzar el vuelo, pese a que las caídas le apartaron de la lucha por el título ya a mitad de una temporada en la que logró 3 victorias, dos de ellas ante su público en Jerez y Catalunya. En 2018 también subió 6 veces al podio, pero no fue capaz de adjudicarse ninguna de las carreras. Lo mejor, sin embargo, estaba por llegar. 2019 marcaría el gran punto de inflexión de su trayectoria en un año brillante en el que sumó 5 triunfos y otros 5 podios que le brindaron el título mundial y el pasaporte directo a MotoGP™ como compañero de su hermano Marc en el Repsol Honda Team para ocupar el vacío dejado por la retirada de Jorge Lorenzo. El reto era mayúsculo, pero se armaría de valor tras la lesión de Marc en Jerez para dar la cara y crecer a pasos agigantados como rookie, obteniendo dos meritorios podios en Le Mans y MotorLand para acabar el año claramente al alza.
En 2021, el menor de los Márquez trataría de seguir creciendo en la clase reina con el LCR Honda Castrol, aunque 6 caídas y un curso repleto de altibajos, donde su mejor resultado llegaría en la penúltima ronda, al ser 4º en el GP del Algarve, le situarían 16º en la general. En 2022, con una nueva y renovada Honda, Márquez no conseguiría adaptarse y no llegaría a mejorar sus resultados de 2021, al no situarse dentro del Top 6 en todo el año. La campaña supondría un punto de inflexión antes de enfrentarse a uno de los años más trascendentales de su carrera. Para 2023, el español subiría a la GP22 de Bagnaia, ganadora del Campeonato, sustituyendo a Bastianini en las filas de Gresini Racing. Llegarían dos podios en GP, siendo el mejor de ellos una segunda plaza en Malasia, y una victoria al Sprint en Silverstone. Para 2024, al '73' le esperaría una segunda campaña con el equipo de Nadia Padovani, y esta vez también junto a su hermano, Marc Márquez, con quien compartiría un podio histórico en el GP de Alemania. Con actuaciones más discretas el resto del curso, el español terminaría octavo en el Campeonato, y ahora se prepara para volver a destacar mientras se mantiene junto a su familia en Gresini.